馴服進化的力量

今年諾貝爾化學獎一半頒給弗蘭西斯·阿諾德，獎勵她實現(xiàn)了酶的定向進化；另一半頒發(fā)給喬治·史密斯和格里高利·溫特，獎勵他們實現(xiàn)了多肽和抗體的噬菌體呈現(xiàn)技術(shù)。

生物的多樣性展現(xiàn)了進化的力量。2018年諾貝爾化學獎得主們掌控了進化，并用它謀求對人類的最大利益。通過定向進化生產(chǎn)的酶現(xiàn)用來制造從生物燃料到藥品的一切。采用噬菌體呈現(xiàn)技術(shù)進化出的抗體可以對抗自體免疫疾病，甚至治愈轉(zhuǎn)移癌。

研究背景

      自從大約37億年前最初的生命誕生起，不同的生命體填滿了地球上幾乎所有縫隙。生命遍布溫泉、深海和干旱沙漠，這都是因為進化解決了許多化學問題。作為生命的化學工具，蛋白質(zhì)經(jīng)過優(yōu)化、改變和更新，從而創(chuàng)造出驚人的多樣性。

      今年的諾貝爾化學獎得主受到進化力量的啟發(fā)，利用了同樣的原理——遺傳變異和選擇——研發(fā)出能夠解決人類化學問題的蛋白質(zhì)。

  其中一半被授予弗蘭西斯·阿諾德。1993年，她第一次進行了酶（也即催化化學反應(yīng)的蛋白質(zhì)）的定向進化。后來她所改良的方法，如今已經(jīng)日常用于新催化劑的開發(fā)。通過Arnold教授精簡后生產(chǎn)的酶可以用來以更環(huán)保的方式制造化學物質(zhì)，比如藥物，還能生產(chǎn)可再生的燃料，讓交通運輸更加綠色環(huán)保。

Frances H. Arnold簡介

        Frances H. Arnold教授是2018年諾貝爾化學獎的獲獎人之一，也是繼昨日唐娜·斯特里克蘭（Donna Stricklan）獲得諾貝爾物理學獎之后，又一位女性科學家收獲諾獎。

     弗朗西絲?阿諾德出生于1956年7月25日，她是美國一位科學家和工程師。她開創(chuàng)了定向進化方法，用于制作有用的生物系統(tǒng)，包括：酶、代謝途徑、遺傳調(diào)節(jié)回路和有機體。1979年，她在普林斯頓大學獲得了機械和航空航天工程學士學位，并獲得了加州大學伯克利分?；瘜W工程博士學位。在1986年來到加州理工學院之前，她取得了生物物理化學博士后學位。

　　阿諾德在加州理工學院的研究領(lǐng)域是綠色化學和替代能源，其中包括：開發(fā)高活性酶（纖維素分解和生物合成酶）和微生物，將可再生生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料和化學物質(zhì)。2016年，她成為獲得“千禧技術(shù)獎”的首位女性。

深度解讀：馴服進化的力量

在我們生活的地球上，有一支名為“進化”的強大力量。自37億年前地球上出現(xiàn)首批生命以來，幾乎每寸地表中都填滿了不斷對環(huán)境做出適應(yīng)的生命體：比如生長在貧瘠山脊上的地衣，在熱泉中頑強生存的藻類，干燥沙漠中渾身披甲的爬行動物，以及在黑暗的深海中閃閃發(fā)光的水母。

我們在生物課上都學過這些生物，但現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)變一下視角，從化學家的角度看待它們。地球上的生物之所以能存活下去，是因為進化幫它們解決了無數(shù)復雜的化學問題。所有生物都能從周邊環(huán)境中提取可用的物質(zhì)和能量，用它們合成自己所需的獨特化學成分。魚的血液中含有防凍蛋白質(zhì)，因此它們在極地冰洋中也能暢游無阻；貝類能分泌一種水下分子膠，因此可以牢牢粘附在巖石上。

這些化學反應(yīng)的絕妙之處在于，它們已經(jīng)被編寫進了我們的基因中，能夠代代相傳、不斷演變。基因如果發(fā)生了一點兒意外變化，就會改變這種化學反應(yīng)。有時這會削弱生物體的生存能力，有時則會讓該生物變得更加強大。隨著新的化學反應(yīng)逐漸出現(xiàn)，地球上的生命也變得愈加復雜。

酶定向進化的基本原理。經(jīng)過幾個周期的定向進化之后，一種酶可能會有幾千倍的效果。1、隨機突變是隨機引入基因的，這種酶最終會被改變；2、這些基因被插入細菌之中，細菌將它們作為模板，隨機性制造突變酶；3、這種改變的酶物質(zhì)已被測試，它們在催化所需化學反應(yīng)方面十分有效。

      受益于這些進化過程，有三個人竟然復雜到自己掌握了控制進化過程的能力。2018年諾貝爾化學獎頒給了弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特爵士三人，因為他們使化學界發(fā)生了革命性變化，并通過定向進化技術(shù)促進了新藥的研發(fā)。首先來介紹一下酶工程領(lǐng)域的明星：弗朗西絲·阿諾德。

酶——生命最強大的化學工具

早在1979年、弗朗西絲·阿諾德還是一名剛畢業(yè)的機械與航空航天工程師時，她就已經(jīng)有了一套明確的規(guī)劃，希望通過新技術(shù)的研發(fā)造福人類。美國當時決定，到2000年前，20%的能源都要由可再生能源提供。于是阿諾德也參與了太陽能的研究。但到了1981年總統(tǒng)大選之后，該行業(yè)的前景預(yù)期發(fā)生了巨變，因此阿諾德將研究重點轉(zhuǎn)向了新興的DNA技術(shù)。她對此表示：“要想以全新的方式制造我們?nèi)粘Ｋ璧牟牧吓c化學物質(zhì)，就需要重新改寫生命編碼?！?/span>

她并未打算采用傳統(tǒng)化學方法生產(chǎn)藥物、塑料和其它化學物質(zhì)，因為這些方法往往要用到強效溶劑、重金屬和腐蝕性酸。相反，她決定利用生命的化學工具——酶。酶能夠催化生物體內(nèi)的化學反應(yīng)。假如阿諾德能掌握制造新酶的方法，就能根本性地改變化學界。

人類思維的局限性

弗朗西絲·阿諾德一開始像其他很多80年代末的科學家一樣，試圖通過重新搭建酶的結(jié)構(gòu)來賦予它們新的性質(zhì)。但酶的分子結(jié)構(gòu)極為復雜，由20種不同的氨基酸分子構(gòu)成，且聯(lián)結(jié)方式可能多達無限種。單個酶中可能包含數(shù)千個氨基酸分子，它們相互聯(lián)結(jié)成一條長鏈，再折疊成空間三維結(jié)構(gòu)。催化特定化學反應(yīng)所需的環(huán)境就是在這些結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的。

即使利用目前的化學知識和計算機，也很難通過邏輯破解和重建這些極為復雜的分子結(jié)構(gòu)。因此在90年代初，弗朗西絲·阿諾德面對大自然的強大力量，選擇了放棄。用她的話來說，這種方法“顯得有些不自量力”。她決定在大自然優(yōu)化化學反應(yīng)的方法——進化中尋求靈感。

阿諾德開始研究進化

她花了幾年時間，試圖改變一種名叫“枯草桿菌蛋白酶”的酶，讓它能夠在有機溶劑“亞甲基甲硫胺（DMF）”、而非水基溶劑中催化化學反應(yīng)。她先讓這種酶的遺傳編碼發(fā)生隨機變異，再把這些變異基因引入到細菌中，這樣就培育出了數(shù)千種枯草桿菌蛋白酶的變種。

     接下來的挑戰(zhàn)是，從這么多變種中找出在有機溶劑中催化效果最好的一種。在進化中，我們會說適者生存；而在定向進化中，我們把這一階段叫做“選擇”。

      弗朗西絲·阿諾德利用了枯草桿菌蛋白酶能夠分解酪蛋白的性質(zhì)。她先是選出了在含有35%亞甲基甲硫胺的溶液中分解酪蛋白效果最好的枯草桿菌蛋白酶變種，然后再讓這種蛋白酶基因發(fā)生一輪隨機變異，從而培育出了在亞甲基甲硫胺溶液中效果更好的新變種。

      在第三代枯草桿菌蛋白酶中，她找到了一種效果勝過原始蛋白酶256倍的變種。該變種中含有十多種不同的基因變異，而這些變異的效果都是無法提前預(yù)料的。

      弗朗西絲·阿諾德通過這項研究展示了利用概率和定向進化培育新酶的效果。這是人類朝掌握進化邁出的第一步、也是最具決定性的一步。

       下一步研究由2013年逝世的荷蘭研究者和企業(yè)家威勒姆·斯坦莫（Willem P。C。Stemmer）做出。他為酶的定向進化引入了一個新維度：在試管中展開基因配對。

配對——為了更穩(wěn)定的進化

      自然進化的前提之一是，來自不同生物體的基因要通過交配或傳粉相互混合。這樣一來，有益于生物的性質(zhì)就可以相互結(jié)合，使生物更加強大。與此同時，對生物無益的基因變異則會在代代相傳的過程中逐漸消失。

      威勒姆·斯坦莫利用了DNA改組技術(shù)，相當于在試管中進行基因配對。1994年，他證明了可以將同一基因的不同版本切成若干小片段，然后在DNA技術(shù)工具的幫助下，將這些小片段整合成一段完整的基因。

      經(jīng)過幾輪DNA改組之后，威勒姆·斯坦莫已經(jīng)使酶發(fā)生了巨大變化，大大增強了酶的效果。這說明基因重組技術(shù)可以進一步提高酶進化的效率。

新型酶可生產(chǎn)可持續(xù)的生物燃料

       DNA工具自90年代以來一直在不斷改良，定向進化方法也比從前多了幾倍。弗朗西絲·阿諾德一直走在這些發(fā)展的前列。她所在實驗室中制造的酶甚至能夠催化自然界中不存在的化學反應(yīng)，從而制造出全新的材料。經(jīng)她“量身定做”的酶已經(jīng)成為了多種物質(zhì)的重要生產(chǎn)工具，如藥物生產(chǎn)等。利用這些酶，化學反應(yīng)速度得以大大提高，副產(chǎn)物也明顯減少，在有些情況下，還能杜絕傳統(tǒng)化學反應(yīng)中重金屬的使用，因此顯著減小了對環(huán)境的影響。

事情總會不斷循環(huán)，弗朗西絲·阿諾德如今又開始了對可再生能源生產(chǎn)的研究。她的研究團隊研發(fā)了幾種酶，能夠把簡單的糖類轉(zhuǎn)化成異丁醇。這種物質(zhì)富含能量，可用于生產(chǎn)生物燃料和環(huán)保塑料。他們的長期目標之一是，通過生產(chǎn)更環(huán)保的燃料，打造更有利于環(huán)境的交通運輸行業(yè)。借阿諾德研發(fā)的酶制造的其它燃料還可用在小汽車和航天飛機上。由此看來，她研發(fā)的酶對更加綠色環(huán)保的世界做出了卓越貢獻。

馴服進化的力量，讓進化的力量為人類所用。

編譯來源：

1. https://old.nobelprize.org/che-press.pdf

2. http://www.che.caltech.edu/groups/fha/Pictures.htm

3. 李斌于國萍．食品酶工程．北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2010：342-343